Lập trình mạng - Chương 2: Bộ giao thức Internet TCP/IP

Lương Ánh Ho{ng hoangla@soict.hut.edu.vn Chương 2. Bộ giao thức Internet TCP/IP • 2.1. Giới thiệu • 2.2. Giao thức IPv4 • 2.3. Giao thức IPv6 • 2.4. Giao thức TCP • 2.5. Giao thức UDP • 2.6. Hệ thống phân giải tên miền Chương 2. Bộ giao thức Internet (TCP/IP) 19 • Bộ giao thức Internet – TCP/IP: Transmission Control Protocol/Internet Protocol. – Là bộ giao thức truyền thông được sử dụng trên Internet và hầu hết các mạng thương mại. – Được chia thành các tầng gồm nhiều giao thức, thuận tiện cho việc quản lý và phát triển. – Là thể hiện đơn giản hóa của mô hình lý thuyết OSI. 2.1. Giới thiệu 20 • Bộ giao thức Internet – Gồm bốn tầng • Tầng ứng dụng – Application Layer. • Tầng giao vận – Transport Layer. • Tầng Internet – Internet Layer. • Tầng truy nhập mạng – Network Access Layer. 2.1. Giới thiệu 21 • Bộ giao thức Internet – Tầng ứng dụng • Đóng gói dữ liệu người dùng theo giao thức riêng và chuyển xuống tầng dưới. • Các giao thức thông dụng: HTTP, FTP, SMTP, POP3, DNS, SSH, IMAP... • Việc lập trình mạng sẽ xây dựng ứng dụng tuân theo một trong các giao thức ở tầng này hoặc giao thức do người phát triển tự định nghĩa 2.1. Giới thiệu 22 • Bộ giao thức Internet – Tầng giao vận • Cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu giữa ứng dụng - ứng dụng. • Đơn vị dữ liệu là các đoạn (segment). • Các giao thức ở tầng này: TCP, UDP, ICMP. • Việc lập trình mạng sẽ sử dụng dịch vụ do các giao thức ở tầng này cung cấp để truyền dữ liệu 2.1. Giới thiệu 23 • Bộ giao thức Internet – Tầng Internet • Định tuyến và truyền các gói tin liên mạng. • Cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu giữa máy tính – máy tính trong cùng nhánh mạng hoặc giữa các nhánh mạng. • Đơn vị dữ liệu là các gói tin (packet). • Các giao thức ở tầng này: IPv4, IPv6.... • Việc lập trình ứng dụng mạng sẽ rất ít khi can thiệp vào tầng này, trừ khi phát triển một giao thức liên mạng mới. 2.1. Giới thiệu 24 • Bộ giao thức Internet – Tầng truy nhập mạng • Cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu giữa các nút mạng trên cùng một nhánh mạng vật lý. • Đơn vị dữ liệu là các khung (frame). • Phụ thuộc rất nhiều vào phương tiện kết nối vật lý. • Các giao thức ở tầng này đa dạng: MAC, LLC, ADSL, 802.11... • Việc lập trình mạng ở tầng này là xây dựng các trình điều khiển phần cứng tương ứng, thường do nhà sản xuất thực hiện. 2.1. Giới thiệu 25 • Bộ giao thức Internet – Dữ liệu gửi đi qua mỗi tầng sẽ được thêm phần thông tin điều khiển (header). – Dữ liệu nhận được qua mỗi tầng sẽ được bóc tách thông tin điều khiển. 2.1. Giới thiệu 26 • Giao thức IPv4 – Được IETF công bố dưới dạng RFC 791 vào 9/1981. – Phiên bản thứ 4 của họ giao thức IP và là phiên bản đầu tiên phát hành rộng rãi. – Là giao thức hướng dữ liệu (phân biệt với hướng thoại, video). – Sử dụng trong hệ thống chuyển mạch gói. – Truyền dữ liệu theo kiểu Best-Effort – Không đảm bảo tính trật tự, trùng lặp, tin cậy của gói tin. – Kiểm tra tính toàn vẹn của dữ liệu qua checksum 2.2. Giao thức IPv4 27 • Địa chỉ IPv4 – Sử dụng 32 bit để đánh địa chỉ các máy tính trong mạng. – Bao gồm: phần mạng và phần host. – Số địa chỉ tối đa: 232 ~ 4,294,967,296. – Dành riêng một vài dải đặc biệt không sử dụng. – Chia thành bốn nhóm 8 bít (octet). 2.2. Giao thức IPv4 28 Dạng biểu diễn Gi| trị Nhị phân 11000000.10101000.00000000.00000001 Thập phân 192.168.0.1 Thập lục phân 0xC0A80001 • Các lớp địa chỉ IPv4 – Có năm lớp địa chỉ: A,B,C,D,E. – Lớp A,B,C: trao đối thông tin thông thường. – Lớp D: multicast – Lớp E: để dành 2.2. Giao thức IPv4 29 Lớp MSB Địa chỉ đầu Địa chỉ cuối A 0xxx 0.0.0.0 127.255.255.255 B 10xx 128.0.0.0 191.255.255.255 C 110x 192.0.0.0 223.255.255.255 D 1110 224.0.0.0 239.255.255.255 E 1111 240.0.0.0 255.255.255.255 • Mặt nạ mạng (Network Mask) – Phân tách phần mạng và phần host trong địa chỉ IPv4. – Sử dụng trong bộ định tuyến để tìm đường đi cho gói tin. – Với mạng có dạng 2.2. Giao thức IPv4 30 Network Host 192.168.0. 1 11000000.10101000.00000000. 00000001 • Mặt nạ mạng (Network Mask) – Biểu diễn theo dạng /n • n là số bit dành cho phần mạng. • Thí dụ: 192.168.0.1/24 – Biểu diễn dưới dạng nhị phân • Dùng 32 bit đánh dấu, bít dành cho phần mạng là 1, cho phần host là 0. • Thí dụ: 11111111.11111111.11111111.00000000 hay 255.255.255.0 – Biểu diễn dưới dạng Hexa • Dùng số Hexa: 0xFFFFFF00 • Ít dùng 2.2. Giao thức IPv4 31 • Số lượng địa chỉ trong mỗi mạng – Mỗi mạng sẽ có n bit dành cho phần mạng, 32-n bit dành cho phần host. – Phân phối địa chỉ trong mỗi mạng: • 01 địa chỉ mạng (các bit phần host bằng 0). • 01 địa chỉ quảng bá (các bit phần host bằng 1). • 2n-2 địa chỉ gán cho các máy trạm (host). – Với mạng 192.168.0.1/24 • Địa chỉ mạng: 192.168.0.0 • Địa chỉ quảng bá: 192.168.0.255 • Địa chỉ host: 192.168.0.1- 192.168.0.254 2.2. Giao thức IPv4 32 • Các dải địa chỉ đặc biệt – Là những dải được dùng với mục đích riêng, không sử dụng được trên Internet. 2.2. Giao thức IPv4 33 Địa chỉ Diễn giải 10.0.0.0/8 Mạng riêng 127.0.0.0/8 Địa chỉ loopback 172.16.0.0/12 Mạng riêng 192.168.0.0/16 Mạng riêng 224.0.0.0/4 Multicast 240.0.0.0/4 Dự trữ • Dải địa chỉ cục bộ – Chỉ sử dụng trong mạng nội bộ. – Muốn tham gia vào Internet phải có thiết bị NAT. – Khắc phục vấn đề thiếu địa chỉ của IPv4. 2.2. Giao thức IPv4 34 Tên Dải địa chỉ Số lượng Mô tả mạng Viết gọn Khối 24-bit 10.0.0.0– 10.255.255.255 16,777,216 Một dải trọn vẹn thuộc lớp A 10.0.0.0/8 Khối 20-bit 172.16.0.0– 172.31.255.255 1,048,576 Tổ hợp từ mạng lớp B 172.16.0.0/12 Khối 16-bit 192.168.0.0– 192.168.255.25 5 65,536 Tổ hợp từ mạng lớp C 192.168.0.0/16 • Giao thức IPv6 – IETF đề xuất năm 1998. – Sử dụng 128 bit để đánh địa chỉ các thiết bị. – Khắc phục vấn đề thiếu địa chỉ của IPv4. – Vẫn chưa phổ biến và chưa thể thay thế hoàn toàn IPv4. 2.3. Giao thức IPv6 35 • Giao thức TCP: Transmission Control Protocol – Giao thức lõi chạy ở tầng giao vận. – Chạy bên dưới tầng ứng dụng và trên nền IP – Cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu theo dòng tin cậy giữa các ứng dụng. – Được sử dụng bởi hầu hết các ứng dụng mạng. – Chia dữ liệu thành các gói nhỏ, thêm thông tin kiểm soát và gửi đi trên đường truyền. – Lập trình mạng sẽ sử dụng giao thức này để trao đổi thông tin. 2.4. Giao thức TCP 36 • Cổng (Port) – Một số nguyên duy nhất trong khoảng 0-65535 tương ứng với một kết nối của ứng dụng. – TCP sử dụng cổng để chuyển dữ liệu tới đúng ứng dụng hoặc dịch vụ. – Một ứng dụng có thể mở nhiều kết nối => có thể sử dụng nhiều cổng. – Một số cổng thông dụng: HTTP(80), FTP(21), SMTP(25), POP3(110), HTTPS(443)... 2.4. Giao thức TCP 37 • Đặc tính của TCP – Hướng kết nối: connection oriented • Hai bên phải thiết lập kênh truyền trước khi truyền dữ liệu. • Được thực hiện bởi quá trình gọi là bắt tay ba bước (three ways handshake). – Truyền dữ liệu theo dòng (stream oriented): tự động phân chia dòng dữ liệu thành các đoạn nhỏ để truyền đi, tự động ghép các đoạn nhỏ thành dòng dữ liệu và gửi trả ứng dụng. – Đúng trật tự (ordering guarantee): dữ liệu gửi trước sẽ được nhận trước 2.4. Giao thức TCP 38 • Đặc tính của TCP – Tin cậy, chính xác: thông tin gửi đi sẽ được đảm bảo đến đích, không dư thừa, sai sót... – Độ trễ lớn, khó đáp ứng được tính thời gian thực. – Các đặc tính khác: QoS... 2.4. Giao thức TCP 39 • Header của TCP – Chứa thông tin về đoạn dữ liệu tương ứng 2.4. Giao thức TCP 40 TCP Header Bit offs et 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 0 Source port Destination port 32 Sequence number 64 Acknowledgment number 96 Data offset Reserved C W R E C E U R G A C K P S H R S T S Y N F I N Window Size 128 Checksum Urgent pointer 160 ... Options (if Data Offset > 5) ... • Các dịch vụ trên nền TCP – Rất nhiều dịch vụ chạy trên nền TCP: FTP(21), HTTP(80), SMTP(25), SSH(22), POP3(110), VNC(4899)... • Sử dụng netcat để kết nối đến một dịch vụ chạy trên nền TCP: – nc.exe –vv [host] [port] – Thí dụ nc.exe -vv www.google.com 80 2.4. Giao thức TCP 41 • Giao thức UDP: User Datagram Protocol – Cũng là giao thức lõi trong TCP/IP. – Cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu giữa các ứng dụng. – UDP chia nhỏ dữ liệu ra thành các datagram – Sử dụng trong các ứng dụng khắt khe về mặt thời gian, chấp nhận sai sót: thoại, video, game... 2.5. Giao thức UDP 42 • Đặc tính của UDP – Không cần thiết lập kết nối trước khi truyền (Connectionless). – Nhanh, chiếm ít tài nguyên dễ xử lý. – Hạn chế: • Không có cơ chế báo gửi (report). • Không đảm báo trật tự các datagram (ordering). • Không phát hiện được mất mát hoặc trùng lặp thông tin (loss, duplication). 2.5. Giao thức UDP 43 • Header của UDP 2.5. Giao thức UDP 44 + Bits 0 - 15 16 - 31 0 Source Port Destination Port 32 Length Checksum 64 Data • Các dịch vụ trên nền UDP – Phân giải tên miền: DNS (53) – Streamming: MMS, RTSP... – Game 2.5. Giao thức UDP 45 • Địa chỉ IP khó nhớ với con người. • DNS – Domain Name System – Hệ thống phân cấp làm nhiệm vụ ánh xạ tên miền sang địa chỉ IP và ngược lại. 2.6. Hệ thống ph}n giải tên miền DNS 46 • DNS – Domain Name System – Các tên miền được phân cấp và quản lý bởi INTERNIC – Cấp cao nhất là ROOT, sau đó là cấp 1, cấp 2,... – Thí dụ: www.hut.edu.vn 2.6. Hệ thống ph}n giải tên miền DNS 47 Cấp Cấp 4 Cấp 3 Cấp 2 Cấp 1 Tên miền www. hut. edu. vn • DNS – Domain Name System – Tổ chức được cấp tên miền cấp 1 sẽ duy trì cơ sở dữ liệu các tên miền cấp 2 trực thuộc, tổ chức được cấp tên miền cấp 2 sẽ duy trì cơ sở dữ liệu các tên miền cấp 3 trực thuộc... – Một máy tính muốn biết địa chỉ của một máy chủ có tên miền nào đó, nó sẽ hỏi máy chủ DNS mà nó nằm trong, nếu máy chủ DNS này không trả lời được nó sẽ chuyển tiếp câu hỏi đến máy chủ DNS cấp cao hơn, DNS cấp cao hơn nếu không trả lời được lại chuyển đến DNS cấp cao hơn nữa... 2.6. Hệ thống ph}n giải tên miền DNS 48 • DNS – Domain Name System – Việc truy vấn DNS sẽ do hệ điều hành thực hiện. – Dịch vụ DNS chạy ở cổng 53 UDP. – Công cụ thử nghiệm: nslookup • Thí dụ: nslookup www.google.com 2.6. Hệ thống ph}n giải tên miền DNS 49